Subatomær partikel set ændre sig til antipartikel og tilbage

Fysikere har bevist, at en subatomare partikel kan skifte til sit antipartikel alter-ego og tilbage igen, i en ny opdagelse afsløret i dag.

Den ekstraordinært præcise måling blev foretaget af britiske forskere ved hjælp af Large Hadron Collider beauty (LHCb) eksperimentet på CERN.

Det har givet det første bevis på, at charme-mesoner kan ændre sig til deres antipartikel og tilbage igen.

Blandingsfænomen

I mere end 10 år, videnskabsmænd har vidst, at charme mesoner, subatomare partikler, der indeholder en kvark og en antikvark, kan rejse som en blanding af deres partikel- og antipartikeltilstande.

Det er et fænomen, der kaldes blanding.

Imidlertid, dette nye resultat viser for første gang, at de kan svinge mellem de to stater.

At tackle store fysikspørgsmål

Bevæbnet med dette nye bevis, videnskabsmænd kan forsøge at tackle nogle af de største spørgsmål i fysik omkring, hvordan partikler opfører sig uden for Standardmodellen.

Et væsen, om disse overgange er forårsaget af ukendte partikler, der ikke er forudsagt af den vejledende teori.

Forskningen, sendt til Fysisk gennemgangsbreve og tilgængelig på arXiv, modtaget støtte fra Science and Technology Facilities Council (STFC).

At være det ene og det andet

I kvantefysikkens mærkelige verden, charme-mesonen kan være sig selv og dens antipartikel på én gang.

denne stat, kendt som kvantesuperposition, resulterer i to partikler med hver deres masse - en tungere og lettere version af partiklen.

Denne superposition tillader charme-mesonen at oscillere ind i sin antipartikel og tilbage igen.

Masseforskelle

Ved at bruge data indsamlet under den anden kørsel af Large Hadron Collider (LHC), forskere fra University of Oxford målte en forskel i masse mellem de to partikler.

Der var en forskel på 0,000000000000000000000000000000000000001 gram - eller i videnskabelig notation 1×10 ^-38 g.

En måling af denne præcision og sikkerhed er kun mulig, når fænomenet observeres mange gange.

Dette er kun muligt på grund af mange charme-mesoner, der produceres i LHC-kollisioner.

Da målingen er ekstremt præcis, forskerholdet sikrede, at analysemetoden var endnu mere sådan.

En ny teknik

At gøre dette, holdet brugte en ny teknik, der oprindeligt blev udviklet af kolleger ved University of Warwick.

Der er kun fire typer partikler i standardmodellen, teorien, der forklarer partikelfysik, som kan blive til deres antipartikel.

Blandingsfænomenet blev først observeret i Strange mesons i 1960'erne og i skønhedsmesoner i 1980'erne.

Indtil nu, den eneste anden af ​​de fire partikler, der er set oscillere på denne måde, er mesonen med mærkelig skønhed, en måling foretaget i 2006.

Et sjældent fænomen

Professor Guy Wilkinson ved University of Oxford, hvis gruppe bidrog til analysen, sagde:

"Det, der gør denne opdagelse af oscillation i charme-meson-partiklen så imponerende, er, at i modsætning til skønhedsmesonerne, oscillationen er meget langsom og derfor ekstremt svær at måle inden for den tid, det tager mesonen at henfalde. Dette resultat viser, at oscillationerne er så langsomme, at langt de fleste partikler vil henfalde, før de har en chance for at svinge. Imidlertid, vi er i stand til at bekræfte dette som en opdagelse, fordi LHCb har indsamlet så mange data."

Professor Tim Gershon ved University of Warwick, udvikler af den analytiske teknik, der bruges til at foretage målingen, sagde:"Charme meson-partikler produceres i proton-proton-kollisioner, og de rejser i gennemsnit kun et par millimeter før transformation, eller forfald, ind i andre partikler. Ved at sammenligne charme-meson-partiklerne, der henfalder efter at have rejst en kort afstand, med dem, der rejser lidt længere, vi har været i stand til at måle nøglemængden, der styrer hastigheden af ​​charm meson oscillationen til anti-charme meson - forskellen i masse mellem de tungere og lettere versioner af charm meson."

En ny dør åbner for fysikudforskning

Denne opdagelse af charme meson oscillation åbner op for en ny og spændende fase af fysik udforskning.

Forskere ønsker nu at forstå selve oscillationsprocessen, potentielt et stort skridt fremad i løsningen af ​​mysteriet om stof-antistof-asymmetri.

Et nøgleområde at udforske er, om hastigheden af ​​partikel-antipartikel-overgange er den samme som for antipartikel-partikel-overgange.

Og specifikt, om overgangene er påvirket eller forårsaget af ukendte partikler, som ikke er forudsagt af standardmodellen.

Små mål fortæller store ting

Dr. Mark Williams ved University of Edinburgh, som indkaldte LHCb Charm Physics Group, inden for hvilken forskningen blev udført, sagde:"Små målinger som denne kan fortælle dig store ting om universet, som du ikke havde forventet."

Resultatet, 1×10-38 g, krydser 'fem sigma'-niveauet af statistisk signifikans, der kræves for at gøre krav på en opdagelse inden for partikelfysik.

Yderligere information

LHCb er et af de fire store eksperimenter på LHC ved CERN i Genève, og er designet til at studere henfald af partikler, der indeholder en skønhedskvark.

Det primære mål med LHCb er at undersøge stof-antistof-asymmetri eller "CP-overtrædelse."

Efter Big Bang, stof og antistof blev skabt i lige store mængder, men når de mødes, udsletter de hinanden.

Når vi lever i et univers domineret af stof, der må være en subtil forskel mellem stof og antistof, der har givet stof mulighed for at overleve.

Mesoner er en del af den store klasse af partikler, der består af fundamentale partikler kaldet kvarker, og indeholder en kvark og en antistof-kvark.

D0 mesonen består af en charme-kvark og en up-antikvark, og dens antipartikel, anti-D0, består af en charme-antikvark og en op-kvark.

Denne måling blev foretaget ved hjælp af LHCb's Vertex Locator (VELO) subdetektor.